基于魔T的准八木天线的设计

1 引言

八木天线，又称为引向天线或波道天线，广泛用于米波和分米波通信、雷达、电视以及其他无线电技术设备中，传统的八木天线是由一个有源阵子，一个反射器和一个引向器组成。八木天线的优点是结构简单，可以得到很高的增益。缺点是频带较窄。

随着微波技术的快速发展，小型化、低剖面、低成本的天线倍受关注。微带八木天线具有高增益、低剖面的特点，传统的微带八木天线需要引入一个180°相位差的功分器作为馈电网络。由于180°相位差的功分器是不对称结构，天线方向图最大辐射方向受其影响，指向偏离端射方向。

本文结合一款新型的魔T，利用其等幅反相输出端口，设计了一种新型的微带八木天线。相对比文献，该天线采用的对称馈电端口，降低了馈电网络对天线辐射方向图的影响。该天线最大增益为5.95 dBi,电压驻波比在工作频带内低于1.93。

2 天线单元的结果与分析

微带八木天线的结构如图1所示。它是由三部分组成：一个有源阵子，一个引向阵子和实现等幅反相的魔T。其中魔T是用耦合馈电的方式实现两个输出端口的相位相反，地板作为微带八木天线反射器。

天线各个单元尺寸如下：微带馈线长度L0，线宽W0；地板耦合缝隙宽度S，长度Ls；50欧姆传输线L1，输出端口间距g；四分之一波长阻抗变化器L2×W2；有源阵子L3×W3，引向阵子L4×W4，阵元间距G。本文采用介电常数为2.65，厚度为1 mm的介质板，尺寸为L×W，利用ANSOFT公司的电磁仿真软件HFSS11.0进行仿真。

图1 微带八木天线

2.1 魔T差端口馈电网络

魔T是微波、毫米波电路中的重要器件，广泛应用于微波集成电路、电子对抗以及制导系统等。如图2所示，传统的魔T是一种四端口网络，端口2与端口4是相互隔离的。信号从4端口输入，从1，3端口输出，信号等幅反相，4端口称为Δ端口；信号从2端口输入，从1，3端口输出，信号等幅同相，2端口称为Σ端口。

图2 魔T

利用魔T以上特点，结合设计了魔T差端口馈电网络，并应用在微带八木天线设计中，其结构如下图3。

图3 魔T差端口馈电网络

经过优化得到差端口网络的S参数，仿真结果如图4所示。在5GHz~6GHz范围内，S11小于-14 dB，S21和S31在-4.4 dB±0.3 dB范围内。传输系数与理想情况下-3 dB的要求还存在一定的差距，原因在与能量在两次微带与缝隙传输过程中向外辐射损耗。